Estudo entre Fabricantes de Controladores Lógico

Transcrição

UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
ESPECIALIZAÇÃO EM AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
CASSIANO GONÇALVES
ESTUDO ENTRE FABRICANTES DE CONTROLADORES
LÓGICO PROGRAMÁVEIS PARA USO EM APLICACÕES
INDUSTRIAIS
MONOGRAFIA - ESPECIALIZAÇÃO
CURITIBA
2009
CASSIANO GONÇALVES
INDUSTRIAIS
Monografia de conclusão do curso de
Especialização em Automação Industrial do
Departamento Acadêmico Eletrônica da
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
apresentada como requisito parcial para
obtenção do grau de Especialista em
Automação Industrial.
Prof. Orientador M.Sc. Guilherme Alceu
Schneider.
CURITIBA
2009
CASSIANO GONÇALVES
INDUSTRIAIS
Esta Monografia foi julgada e aprovada como requisito parcial para a obtenção do grau de
Especialista em Automação Industrial no Programa de Pós-graduação em Automação
Industrial da Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Curitiba, 08 de Dezembro de 2009.
Prof. M.Sc. Guilherme Alceu Schneider.
Coordenador do Programa
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. Carlos Raimundo Erig Lima
Universidade Tecnológica Federal do
Paraná
Prof. M.Sc. Guilherme Alceu Schneider.
Paraná
Orientador
Prof. M.Sc. Valmir de Oliveira
Paraná
AGRADECIMENTOS
A realização deste trabalho somente foi possível devido à motivação que consegui gerar
pelo incentivo de alguns poucos amigos.
Os maiores e mais sinceros agradecimentos vão para os meus pais, responsáveis pela
minha educação e pela minha formação. Agradeço a meu orientador, Prof. M. Sc. Guilherme
Alceu Schneider, que soube cultivar em mim, em pequenas, mas constantes doses, o interesse
pelo fascinante e vasto universo do Conhecimento, além de sempre poder estar disponível,
pacientemente, para direcionar-me na condução deste trabalho.
Meu muito obrigado a todos os mestres da UTFPR que contribuíram para expandir os
meus Conhecimentos.
Agradeço a todos os amigos e colegas da Especialização em Automação Industrial, que
contribuem para mantê-la uma escola riquíssima de Informações e Conhecimentos. E,
finalmente, agradeço profundamente a minha esposa e mãe de meu futuro filho, Luana, que,
com uma força extraordinária, acompanhou-me desde a primeira letra deste trabalho até seu
ponto final.
“Os dia prósperos não vêm por acaso; nascem de muita fadiga e
persistência.”
Henry Ford
RESUMO
GONÇALVES, Cassiano. Estudo entre Fabricantes de Controladores Lógico
Programáveis para uso em Aplicações Industriais. 2009. 71 p. Monografia (Especialização
em Automação Industrial) – Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade
Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2009.
Este trabalho apresenta um estudo sobre o Controlador Lógico Programável (CLP), suas
características construtivas, princípio de funcionamento, as linguagens de programação
padronizadas pela norma IEC, módulos de entrada e saída, interface homem máquina (IHM) e
as possibilidades de comunicação em redes industriais. É também apresentado um estudo de
revisão com CLPs de pequeno porte de alguns fabricantes destacando a características mais
interessantes para aplicações industriais, e ainda descreve aplicações industriais que utilizam
este tipos de CLPs. Pretende-se que este material sirva de apoio para decidir qual é o
equipamento mais adequado para determinada aplicação industrial.
Palavra-Chave: CLP; Processo Industrial.
ABSTRACT
GONÇALVES, Cassiano. Study about Programmable Logic Controllers for use in
Industrial Applications. 2009. 71 p. Monografia (Especialização em Automação Industrial)
Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR, Curitiba, 2009.
This work presents a study on the Programmable Logical Controller (PLC), constructive
characteristics, operation, the programming languages standardized by the norm IEC, I/O
modules, human machine interface (HMI) and the communication of PLC in industrial nets.
With of that identified the lack of a support material to aid the choice of a PLC. Then a
comparative study of the best marks of commercial PLCs of small load is presented. Also
describes industrial applications of the PLC, which exemplifies the study on the controller and
the comparative done. Finally it exposes the Programmable Automation Controller (PAC),
showing their main characteristics, and pointing the main advantages regarding PLCs and to
PCs and some specific applications of this controller.
Key Words: PLC, Industrial Process.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................. 10
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
TEMA .............................................................................................................................. 10
PROBLEMA.................................................................................................................... 11
OBJETIVO GERAL ........................................................................................................ 12
OBJETIVOS ESPECÍFICOS........................................................................................... 12
JUSTIFICATIVA............................................................................................................. 12
ESTRUTURA DO TRABALHO..................................................................................... 13
2 TEORIA SOBRE CLPS.................................................................................................... 14
2.1 CONTROLE DE PROCESSOS....................................................................................... 14
2.2 UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO .......................................................... 15
2.3 TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO............................................................................... 18
2.4 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E CICLO DE SCAN ......................................... 19
2.5 LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO ......................................................................... 20
2.5.1 Texto Estruturado......................................................................................................... 21
2.5.2 Ladder .......................................................................................................................... 21
2.5.3 Lista de Instruções........................................................................................................ 24
2.5.4 Diagrama de Blocos ..................................................................................................... 25
2.5.5 Diagrama Seqüencial Funcional................................................................................... 25
2.6 MÓDULOS DE I/O ......................................................................................................... 27
2.6.1 Entradas e Saídas Discretas.......................................................................................... 28
2.6.2 Entradas e Saídas Analógicas....................................................................................... 29
2.7 INTERFACE HOMEM MÁQUINA ............................................................................... 31
2.8 COMUNICAÇÃO DO CLP EM REDE.......................................................................... 32
3 CLPS COMERCIAIS........................................................................................................ 35
3.1 MOELLER....................................................................................................................... 35
3.1.1 Família PS4-100 Compact PLC ................................................................................... 35
3.1.2 PS4-141/-151 Compact PLC........................................................................................ 36
3.1.3 Família PS4-200 Compact PLC ................................................................................... 37
3.1.4 PS4-341 Compact PLC ................................................................................................ 39
3.2 ROCKWELL AUTOMATION ....................................................................................... 40
3.2.1 Família Micrologix....................................................................................................... 40
3.3 SCHNEIDER ELECTRIC ............................................................................................... 44
3.3.1 Twido ........................................................................................................................... 44
3.3.1.1 Família Twido Compacto ......................................................................................... 44
3.3.1.2 Família Twido Modular ........................................................................................... 46
3.4 SIEMENS......................................................................................................................... 48
3.4.1 S7-200 .......................................................................................................................... 48
3.4.1.1 CPU 221 ................................................................................................................... 49
3.4.1.2 CPU 222 ................................................................................................................... 49
3.4.1.3 CPU 224 ................................................................................................................... 50
3.4.1.4 CPU 226 ................................................................................................................... 51
3.5 WEG................................................................................................................................. 51
3.5.1 TPW-03 ........................................................................................................................ 51
3.6 CONTROLADOR PROGRAMÁVEL PARA AUTOMAÇÃO ..................................... 53
4 APLICAÇÃO INDUSTRIAL ........................................................................................... 57
4.1 RETROFITING DE SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE MÁQUINAS
INJETORAS............................................................................................................................. 57
4.2 AUTOMATIZAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES.. 60
5 CONSIDERAÇÕES FINAIS ............................................................................................ 64
5.1 SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS ................................................................ 65
REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 66
SUMÁRIO DE FIGURAS
Figura 01 – Sistema de controle típico de um CLP.................................................................. 15
Figura 02 – Diagrama de Blocos da CPU de um CLP genérico. ............................................. 16
Figura 03 – Estrutura básica do sistema de memória. .............................................................. 17
Figura 04 – Exemplo de conexão do terminal de programação. .............................................. 18
Figura 05 – Ciclo de Scan. ....................................................................................................... 20
Figura 06 – Exemplo de programação em linguagem ladder. ................................................. 22
Figura 07 – Exemplo de programação detecção de primeira falha. ......................................... 23
Figura 08 – Exemplo de programação que gera uma onda quadrada....................................... 23
Figura 09 – Exemplo de programação de um comando bi-manual.......................................... 24
Figura 10 – Exemplo de diagrama de blocos. .......................................................................... 25
Figura 11 – Exemplo de Estruturação por SFC........................................................................ 26
Figura 12 – Exemplo de GRAFCET semáforo. ....................................................................... 27
Figura 13 – Relação de Entrada x Tabela de Dados................................................................. 28
Figura 14 – Relação Canal de Entrada x Tabela de Dados. ..................................................... 30
Figura 15 – Exemplo comercial de uma IHM gráfica. ............................................................. 31
Figura 16 – CLP Moeller PS4-111-DR1. ................................................................................. 36
Figura 17 – CLP Moeller PS4-141- MM1. ........................................................................... 37
Figura 21 – CLP Allen-Bradley Micrologix 1000. .................................................................. 40
Figura 26 – CLP Twido Compacto TDW LC⋅A 10DRF.......................................................... 45
Figura 29 – CLP Twido Compacto TDW LC⋅E 40DRF. ......................................................... 46
Figura 30 – CLP Twido Modular TDW LMDA 20D⋅K e 20DRT........................................... 47
Figura 31 – CLP Twido Modular TDW LMDA 40⋅K. ............................................................ 47
Figura 32 – CLP Siemens S7-200 CPU 221. ........................................................................... 49
Figura 36 – CLP WEG TPW03................................................................................................ 52
Figura 37 – Diagrama esquemático de integração entre PACs e CLPs.................................... 55
Figura 38 – CLP S7-200 CPU 224 utilizado no sistema de injeção......................................... 58
Figura 39 – Detalhe do encaixe lateral CLP S7-200 CPU. ...................................................... 58
Figura 40 – CLP S7-200 CPU 224 utilizado no retrofiting...................................................... 59
Figura 41 – IHM OP3 da Siemens utilizado no painel............................................................. 60
Figura 42 – Tela principal do sistema de supervisão................................................................ 61
Figura 43 – Diagrama esquemático da estação de tratamento de efluentes. ............................ 62
SUMÁRIO DE EQUAÇÕES
Equação 01 – Exemplo de programação em texto estruturado. ............................................... 21
Equação 02 – Exemplo de equação booleana........................................................................... 24
SUMÁRIO DE TABELAS
Tabela 01 – Sistema de Memória da CPU................................................................................ 18
Tabela 02 – Instruções para Diagrama Ladder......................................................................... 22
Tabela 03 – Lista de Instruções para a Equação Booleana da Equação 02 .............................. 25
10
1
INTRODUÇÃO
1.1
TEMA
Em meados da década de 50, controles lógicos e intertravamento utilizavam dispositivos
eletromecânicos, em geral, relés (SILVEIRA; SANTOS, 2002). A indústria automobilística
era onde estava um grau de complexidade mais elevado em seu processo produtivo, assim,
exigindo painéis de controle com inúmeros relés e uma quantidade maior ainda de
interconexões (SILVEIRA; SANTOS, 2002). Esses processos eram funcionais, mas
apresentavam problemas e quando ocorria, o tempo para o reparo variava de algumas horas a
alguns dias. Alem disso possuíam dimensões elevadas e cuidados quanto a sua proteção
(SILVEIRA; SANTOS, 2002). Ao fim da década de 60, surgiram os primeiros controladores,
segundo uma solicitação da General Motors, que exigia os seguintes critérios, segundo
Castrucci (2007):
•
facilidade e praticidade de programação e manutenção;
•
alto grau de confiabilidade;
•
dimensões reduzidas e;
•
preço competitivo.
Então na década de 70, os controladores foram denominados de Controladores Lógico
Programáveis (CLPs), após passarem a ter incorporados microcontroladores (MORAES;
CASTRUCCI, 2007).
O controlador lógico programável é um dispositivo microprocessado criado para o
ambiente industrial, sendo altamente versátil no modo de programação, baseada na analogia
com contatos elétricos. Entre suas principais funções temos: relações lógicas, matemáticas,
números inteiros e binários, ponto flutuante (reais), operações aritméticas, trigonométricas,
transporte
e
armazenamento
de
dados,
comparação,
temporização,
contagem
e
seqüenciamento (CAPELLI, 2007).
No início o CLP substituiria os relés recebendo sinais de controle de dispositivos de
entrada como chaves fim de curso, teclas ou até chaves digitais, acionando então as saídas de
acordo com o programa especificado pelo usuário, armazenado em sua memória, a fim de
partir válvulas solenóides, motores seqüencialmente ou alarmes (ALVES, 2005).
Esta tecnologia evoluiu com isso foram integradas algumas funções aritméticas, que
permitiram o interfaceamento com instrumentos, subsistemas remotos de entradas e saídas,
que diminuíram os custos com cabeamento visto que as entradas e saídas poderiam estar
11
localizadas a distâncias através de um par de cabos comunicando-se com a CPU, além de um
terminal de programação capaz de efetuar o monitoramento em tempo real.
As aplicações mais simples utilizam funções típicas de relés, por exemplo, lógica,
temporização e contagem. Contudo a capacidade de manipulação de números viabilizou sua
aplicação em controle de processo, coletando dados, executando instruções PID, até mesmo
dispor de processadores de rede que armazenas programas de diferentes linguagens (ALVES,
2005).
A variedade de equipamentos e sistemas desenvolvidos para o controle industrial,
juntamente com a infinidade de recursos disponíveis que os CLPs vêm adquirindo, fica fácil
confundir outros produtos com ele. Então para não confundir os equipamentos, é preciso
avaliar algumas características elementares que referenciam o CLP, como um equipamento
para o controle industrial. Segundo Silveira (2002) pode-se observar como:
•
o equipamento em funcionamento deve executar rotinas cíclicas na operação;
•
a base da linguagem de programação deve provir de uma linguagem baseada na lógica
de relés.
Hoje os CLPS geralmente ganham à definição de um dispositivo de estado sólido.
Armazenam instruções em sua memória e são capazes então de implementar funções de
controle, além de lógica e aritmética, manipulação de dados e comunicação em rede
(GEORGINI, 2007).
1.2
PROBLEMA
Com o avanço da tecnologia e dos processos produtivos que estão cada vez mais
complexos e precisos, a utilização de equipamentos mais confiáveis como os CLPs torne-se
indispensável.
Para isto os projetistas devem conhecer os CLPs que o mercado oferece, as
características de cada um deles e deste modo fazer a escolha de um determinado produto que
traga a melhor relação custo benefício em um projeto.
Contudo conhecer todos ou os principais CLPs comerciais, poderia ser suprido com
um estudo comparativo, que se tornaria material de apoio na hora da escolha de qual CLP é o
mais recomendado em determinada aplicação.
Este estudo não vai dizer qual o melhor CLP do mercado, muito menos dizer que o
CLP do fabricante A é melhor que o do fabricante B, mas, pretende mostrar as características
12
de cada CLP e com algumas aplicações apontar onde as características devem ser levadas em
consideração para a escolha de determinado CLP.
1.3
OBJETIVO GERAL
Elaborar um estudo mostrando as diferentes características de alguns modelos de
Controladores Lógico Programáveis comerciais.
1.4
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
•
pesquisar diferentes tipos de CLPS comerciais em distintos fabricantes;
•
pesquisar aplicações comercias que empreguem a utilização de CLPS;
•
descrever aplicações comerciais que utilizam CLPS e,
•
pesquisar novas tendências para o mercado de Controladores Lógico Programáveis.
1.5
JUSTIFICATIVA
Muitos equipamentos são fabricados atualmente. Diferentes fabricantes, inúmeras
características e preços distintos. Você pode se perguntar qual o melhor equipamento para
minha aplicação? Qual vai me proporcionar uma melhor relação custo benefício? Projetistas
se fazem esta pergunta diariamente e, não é simples encontrar um único material que dê tal
resposta.
Um estudo criterioso de CLPs comerciais, com exemplos de aplicações, poderia ajudar
muitas pessoas no momento certo do seu projeto. Muitas vezes as escolhas ficam
centralizadas em experiências práticas, ou indicações, que nem sempre, satisfazem a todas as
condições.
Ao final deste estudo, espera se que, uma pessoa da área possa identificar um CLP que
realmente atenda suas necessidades, trazendo a tão esperada relação custo benefício e possa
tomar uma decisão sem o receio de que poderia ter escolhido algo melhor.
13
1.6
ESTRUTURA DO TRABALHO
O Capítulo 1 deste trabalho faz uma breve introdução descrevendo o tema, o objetivo
proposto e os objetivos específicos, a justificativa e a metodologia de pesquisa a ser adotada.
O Capítulo 2 inicia os fundamentos teóricos, onde será abordado um CLP na integra,
sua composição, funcionamento, principais pontos a serem estudados.
O Capítulo 3 mostra diferentes modelos de CLPS de distintos fabricantes com suas
respectivas características.
O Capítulo 4 mostra aplicações industriais reais que utilizam CLPS na sua composição,
descritas e explicada, da melhor forma e mais didática possível.
O Capítulo 5 apresenta nova tendência do mercado de controladores lógico
programáveis, o PAC mais conhecido como controladores programáveis para automação.
O Capítulo 6 traz a conclusão onde mostra se os objetivos foram cumpridos, e na
seqüência as referências utilizadas na parte teórica do mesmo.
14
2
2.1
TEORIA SOBRE CLPs
CONTROLE DE PROCESSOS
São inúmeros os processos dentro das atividades industriais, mas podemos classificá-los
em dois tipos, o processo contínuo e o processo discreto.
As indústrias manufatureiras são caracterizadas pelo controle de processo do tipo
discreto, ou seja, envolvem proporcionalmente mais variáveis contínuas em um determinado
tempo, um grande exemplo é a indústria automobilística.
O controle de processo do tipo contínuo caracteriza como a própria palavra já diz
variáveis contínuas no tempo. Como exemplo pode-se citar as indústrias químicas,
petroquímicas, alimentícias entre outras (SILVEIRA; SANTOS, 2002).
Nos processos contínuos, as variáveis mais usuais são temperatura, pressão,
vazão e nível, embora existam diversas outras, tais como análise (taxa de gases),
chama, condutividade elétrica, densidade, tensão, corrente elétrica, potência, tempo,
umidade, radiação, velocidade ou freqüência, vibração, peso ou força, e posição ou
dimensionamento.
Nos processos discretos, as variáveis de interesse normalmente são ligado,
desligado e limites de quaisquer variáveis (tais como temperatura alta, nível baixo,
limite de posição etc.) (ALVES, 2005).
É praticamente impossível falar de controle de processos sem mencionar os conceitos de
malha aberta e malha fechada.
O controle por malha fechada ou sistemas de realimentação é aquele que tem uma
relação explicita entre o valor de saída e o valor de entrada do processo. Com isso é possível
retificar possíveis valores de saída que estejam em desacordo com as variáveis do processo
(SILVEIRA; SANTOS, 2002).
Para que isso seja possível é necessária a utilização de controladores, que executam
instruções programadas, onde geralmente comparam valores atuais com valores desejados,
efetuam algum tipo de instrução ou cálculo e atuam na saída. Como é possível observar na
figura 1. Este papel de executar o conteúdo no sistema cabe, entre outros, aos CLPs.
15
Figura 01 – Sistema de controle típico de um CLP.
Fonte: Moraes; Castrucci (2007).
2.2
UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO
Quando se fala de unidade central de processamento (CPU) é muito comum o uso do
jargão, “cérebro”, porque na verdade como nos seres humanos a CPU é quem controla todas
as ações do CLP, esta por sua vez é constituído por um processador, memórias e um
barramento. A figura 2, abaixo ilustra com diagrama de blocos a composição de uma CPU.
16
Figura 02 – Diagrama de Blocos da CPU de um CLP genérico.
Fonte: Moraes; Castrucci, 2007.
Os CLPs possuem processadores de alta capacidade que estão ligados diretamente
com a qualidade e desempenho do equipamento. Estes podem ser denominados
microprocessador ou microcontrolador, conforme cada caso. Há ainda CPUs que possuem
processamento paralelo (sistema de redundância), no qual dois ou mais processadores
executam o programa de aplicação, e outras CPUs possuem módulos coprocessadores, que
auxiliam o processador da CPU na execução de funções específicas. Pelas habilidades na
solução de operações lógico-matemáticas, controle de fluxo, manipulação de dados do
programa, onde se fica claro a importância do equipamento, pois essas funções jamais
poderiam ser implementadas por diagramas de relés.
Seja qual for à tecnologia empregada no CLP, o processador é responsável pelo
gerenciamento total do sistema, controlando os barramentos de endereços, de dados e de
controle. Conforme designado pelo programa de execução, interpreta e executa as instruções
do programa de aplicação, controla a comunicação com dispositivos externos e verifica a
integridade de todo o sistema (função de diagnósticos) (GEORGINI, 2005).
O sistema de memória da CPU é composto pela memória do sistema de operação
(programa de execução ou firmware, e rascunho do sistema) e pela memória de aplicação
17
(programa de aplicação e tabela de dados), conforme apresentado pela figura 3 (GEORGINI,
2005).
Figura 03 – Estrutura básica do sistema de memória.
Fonte: Georgini, 2005.
Memória do Sistema de Operação é composta pelo programa de execução (firmware)
que basicamente constitui o programa desenvolvido pelo fabricante do CLP, este estabelece a
forma em que o sistema deve operar, incluindo a execução do programa de aplicação, o
controle de serviços dos periféricos, atualização dos módulos de entradas e saídas. Este
programa transcreve o programa de aplicação desenvolvido pelo programador, uma
linguagem de alto nível, para uma linguagem que a máquina possa executar.
Outra memória do sistema de operação é composta pelo rascunho do sistema que se
trata de uma área reservada para o sistema de armazenamento temporário de uma pequena
quantidade de dados, que é utilizada para cálculos ou controle, por exemplo, calendário,
relógios internos, sinalizadores de alarmes e erros entre outros.
Memória de Aplicação ou Memória do usuário é nesta área que fica armazenado o
programa desenvolvido pelo programador para execução do controle pretendido.
A Tabela de dados também é uma memória de aplicação, nesta área ficam
armazenados os dados que o programa utiliza para operação, por exemplo, valores atuais e de
preset (pré-configurados) de contadores e temporizadores alem das variáveis do programa,
bem como o status das entradas e saídas, que são lidas e escritas pelo programa,
respectivamente. A tabela 01, abaixo apresenta alguns tipos de memória utilizados em casa
espaço do sistema de memória da CPU do CLP.
18
Tabela 01 – Sistema de Memória da CPU
Memória do Sistema de Operação
Memória de Aplicação
Programa de Execução
Programa de Aplicação
- ROM/EPROM -
- RAM (Bateria)/EPROM/EEPROM -
Rascunho do Sistema
Tabela de Dados
- RAM (Bateria Opcional) -
- RAM (Bateria Opcional) -
2.3
TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO
O terminal de programação é um periférico que serve de meio de comunicação entre o
usuário e o CLP, nas fases de implementação de um software aplicativo. Pode ser um
computador ou um dispositivo portátil composto de teclado e display. Permite o
autodiagnóstico, alterações on-line, a programação das instruções, monitoramento, além da
gravação e apagamento da memória. A figura 4 ilustra um exemplo de conexão do terminal de
programação.
Figura 04 – Exemplo de conexão do terminal de programação.
Fonte: Autoria própria.
É através do sistema de entradas e saídas que se concretiza a conexão física entre a
CPU e o mundo externo por meio de vários tipos de circuitos de interfaceamento. Estes
circuitos possuem características semelhantes em diversos equipamentos, por esta razão será
19
abordada com mais detalhes as entradas e saídas de um CLP no item 2.3 (SILVEIRA;
SANTOS, 2002).
2.4
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E CICLO DE SCAN
Conforme Silveira e Santos (2002), para uma melhor compreensão de um CLP e seu
princípio de funcionamento, são necessários alguns conceitos associados, que serão vistos na
seqüência.
As variáveis de entrada são sinais externos recebidos pelo CLP, estes são transmitidos
de fontes pertencentes ao processo controlado ou de comandos gerados pelo operador. Estes
sinais são oriundos de dispositivos como chaves ou botoeiras, sensores diversos, entre outros.
As variáveis de saída são sinais de controle para os equipamentos atuadores do
sistema. Estes pontos servirão para atuação direta no processo controlado por acionamento
próprio, ou também para sinalização em caso de supervisão. Para este caso podemos citar
como exemplo, variáveis de saída para válvulas, contatores, lâmpadas, displays, dentre outros.
O programa é uma seqüência específica de instruções selecionadas por um
programador, de um conjunto de opções oferecidas pelo CLP em uso, estas irão efetuar ações
de controles desejadas, ativando ou não as memórias internas e os pontos de saída do CLP a
partir da monitoração do estado das mesmas memórias internas ou dos pontos de entrada do
CLP.
A CPU como já foi exemplificada e apresentada na figura 02, segue padrões
semelhantes às arquiteturas dos computadores e, é de responsabilidade da CPU gerar as
informações de entrada e saída e executar as instruções do programa feita pela memória.
O tempo de execução dessas tarefas é conhecido como ciclo de scan ou ciclo de
execução e depende, dentre outros fatores, da velocidade e da característica do processador
utilizado, além do tamanho do programa de controle do usuário, até mesmo da quantidade e
tipo de pontos de entrada e saída. Pode-se adotar como regra, que este tempo tenha duração
média de milisegundos ou até microsegundos para os CLPs atuais. A figura 5 ilustra que a
varredura é processada ciclicamente, onde o CLP atualiza as entradas, processa as
informações, conforme descritas pelo programa do usuário e por fim atualiza as saídas.
20
Figura 05 – Ciclo de Scan.
Fonte: Moraes; Castrucci, 2007.
Em alguns casos críticos de controle, em que o processo não pode esperar todo o
tempo de execução do ciclo de scan, pois é necessário que se execute uma rotina
imediatamente, ou então, no caso de o sinal de entrada ser inferior ao ciclo, há casos que o
CLP tem que interromper a execução do ciclo para de varredura para, prioritariamente, efetuar
uma ação. Por fim, apesar de não ser regra geral, a compreensão do ciclo de scan é suficiente
para o entendimento do princípio de funcionamento do CLP (SILVEIRA; SANTOS, 2002).
2.5
LINGUAGENS DE PROGRAMAÇÃO
Segundo Capelli (2007), até o início de 1990 não havia uma técnica padrão de
programação de CLPs. Basic, Forthram, C e várias outras linguagens abrangiam este fim. A
única coisa possível de se afirmar era que cada fabricante tinha uma linguagem diferenciada
para seus produtos. Com isso se desperdiçava tempo, alto custo em treinamentos e falta de
integração dos sistemas.
Atualmente linguagens de programação são regulamentadas pela norma IEC-61131-3,
que propõe basicamente cinco linguagens de programação para o CLP: texto estruturado,
Ladder, lista de instruções, diagrama de blocos e Diagrama Funcional Seqüencial ou
GRAFCET (SOUZA, 2006).
21
2.5.1 Texto Estruturado
Segundo Georgini (2005), texto estruturado é uma linguagem de alto nível, estruturada
em blocos, semelhante ao Pascal. Essa linguagem pode ser usada para expressar declarações
complexas envolvendo variáveis que representam uma ampla faixa de dados de diferentes
tipos, incluindo valores analógicos e digitais.
Esta linguagem suporta interação por loops, como, por exemplo, REPEAT UNTIL
(repita até que); execução condicional, ou seja, por meio de construções usando IF-THENELSE (se-então-senão); e funções, tais como: SQRT (raiz quadrada), SIN (seno). A equação 1
abaixo mostra um exemplo simples de programação em linguagem de texto estruturada, onde
diz que a saída Y0 é resultado do sinal de entrada X0 e não X1.
Y0: = X0 AND NOT X1
Equação 01 – Exemplo de programação em texto estruturado.
2.5.2 Ladder
O nome desta linguagem é resultado de sua representação gráfica pelo fato de se
parecer com uma escada em inglês ladder, na qual duas barras verticais paralelas são
interligadas pela lógica de controle, formando os degraus da escada (GEORGINI, 2005).
Moraes e Castrucci (2007) apresentaram que, as regras gráficas que constituem os
elementos básicos, tais como, bobinas, contatos e linhas são:
•
bobinas sempre ficam totalmente à direita das linhas horizontais;
•
linhas verticais são denominadas linhas-mãe;
•
das linhas verticais parte linhas horizontais que podem ligar-se a mais linhas verticais;
•
as seqüências de causas e efeito orientam-se da esquerda para a direita e de cima para
baixo;
•
a habilitação das linhas horizontais, da qual decorre o acionamento das bobinas,
depende da afirmação dos contatos à sua esquerda.
22
Tabela 02 – Instruções para Diagrama Ladder
Instrução
Representação
Contato normalmente aberto – NA
-| |-
Contato normalmente fechado – NF
-| / |-
Bobina
-( )-
Bobina set
-( S )-
Bobina reset
-( R )-
Fonte: Moraes, Castrucci; 2007.
A figura 6 a seguir apresenta um exemplo simples de programação em linguagem
ladder, que mostra que na primeira linha do programa, quando a entrada X0 estiver acionada
e não a X1 acionará a bobina (saída) Y0 e, a segunda linha finaliza o programa.
Figura 06 – Exemplo de programação em linguagem ladder.
As instruções que foram citadas acima são básicas e estão presentes em qualquer CLP,
algumas instruções são um pouco mais sofisticadas e apresentam variações conforme o
modelo de controlador. Existem ainda funções de temporizadores, operações algébricas de
soma, subtração, multiplicação, divisão, operações lógicas como, AND, OR, EXCLUSIVE OR,
entre dados de memória (MORAES, CASTRUCCI; 2007).
O diagrama Ladder da figura 07 apresenta um sistema de detecção de primeira falha,
onde os sinais provindos de 3 sensores irão atuar uma bobina. Caso um sensor mande um
sinal lógico de nível alto e não sido sinalizado falha 2 ou falha 3, ele acionará a bobina de
falha 1, mesmo ocorrendo acionamento do sensor 2 e do sensor 3 as outras falhas não são
detectadas, assim mostrará onde ocorreu a primeira falha. Isso pode ocorrer analogamente
para o sensor 2 e 3.
23
Figura 07 – Exemplo de programação detecção de primeira falha.
Fonte: O Autor.
A figura 08 mostra um exemplo programa de geração de uma onda quadrada, onde
mantém em nível lógico baixo por 3s em função da parametrização do temporizador 1 e,
decorrido os 3s segundos irá manter nível lógico alto por mais 4s através da parametrização
do temporizador 2, vale salientar que a base de tempo de um temporizador varia de um
modelo para outro.
Figura 08 – Exemplo de programação que gera uma onda quadrada.
Fonte: O Autor.
Hoje fabricantes de máquinas e equipamentos devem se adequar as normas e prever
segurança para os operadores, em função disto o uso de um comando bi-manual pode ser
24
utilizado. A figura 09 mostra como é possível efetuar a programação deste tipo de comando,
de o operador deve acionar duas botoeiras em um intervalo menor que 0,5s caso contrário o
acionamento não é efetuado.
Figura 09 – Exemplo de programação de um comando bi-manual.
Fonte: O Autor.
2.5.3 Lista de Instruções
Conforme Moraes e Castrucci (2007), a linguagem de lista de instruções consiste em
uma seqüência de comandos padronizados correspondentes a funções. É muito semelhante à
linguagem em Assembler na maneira como os códigos são escritos. Sua aceitação é muito
limitada, isto faz com que ocorra uma migração de produtos mais antigos para os novos
padrões, pois é uma linguagem de difícil aprendizado.
Correções neste tipo de programa são muito complexas, pelo fato desta linguagem não
permitir uma visualização clara. A equação 02 apresenta uma equação booleana que dará um
exemplo desta linguagem.
(O5) = (I1) ⋅ (I2 negado) ⋅ (I3) + (I4)
Equação 02 – Exemplo de equação booleana.
A tabela 3 descreve como seria o programa em lista de instruções para a equação 02.
25
Tabela 03 – Lista de Instruções para a Equação Booleana da Equação 02
Instrução
Descrição
LD
I1
= tome I1
ANDN
I2
= e não I2
AND
I3
= e I3
OR
I4
= ou I4
ST
O5
= saída é O5
2.5.4 Diagrama de Blocos
Georgini (2005) descreve o diagrama de bloco como uma linguagem gráfica que
permite aos elementos do programa, representado como o próprio nome já diz em blocos, de
serem conectados entre si, de forma análoga a um diagrama de circuitos elétricos.
Essa linguagem utiliza blocos da lógica booleana, com comandos padronizados. A
figura 10 mostra como seria o diagrama de blocos, representado pela equação 02. Esta figura
diz que a saída O5 é resultado da multiplicação das entradas I1, I3 e I2 negada é o seu
resultado somado à entrada I4.
Figura 10 – Exemplo de diagrama de blocos.
2.5.5 Diagrama Seqüencial Funcional
Segundo a Norma IEC 61131-3 (2003), o diagrama seqüencial funcional (Seqüencial
Function Chart – SFC) é utilizado para descrever o comportamento seqüencial de um sistema.
26
Como é uma linguagem de estruturação o particionamento do problema traz ganhos de
performance porque apenas o código relativo aos passos ativos é executado.
A linguagem diagrama seqüencial funcional ou Grafcet (Grafhe Fonctionnel de
Command Etape Transition) é uma linguagem gráfica. O SFC é utilizado para estruturar a
organização interna de um programa, além de auxiliar a decomposição do problema de
controle em partes menores. Cada elemento de um diagrama, tais como, etapas, ações
associadas a etapas, transições, condições associadas às transições e ligações orientadas,
podem ser programadas em qualquer uma das linguagens definidas pela norma IEC 61131-3
(GEORGINI, 2005).
A figura 11 representa uma estrutura simplificada de um SFC.
Figura 11 – Exemplo de Estruturação por SFC.
Fonte: Georgini; 2005.
A figura 12 apresenta um exemplo clássico de programação, um semáforo para um
cruzamento de duas vias de mão única, onde o inicia com o semáforo A verde e o semáforo B
vermelho, decorridos 30s o semáforo A fica amarelo por 5s então passa a ser vermelho e na
seqüência ambos ficam vermelhos por 3s segundo, por segurança. Então, o semáforo B fica
verde e o A vermelho após executar a mesma temporização eles comutam e, assim continua
ciclicamente.
27
Figura 12 – Exemplo de GRAFCET semáforo.
Fonte: Georgini; 2005.
2.6
MÓDULOS DE I/O
Os módulos I/O fazem à comunicação da CPU com o meio externo (sensores e
atuadores) e, ainda propiciam isolação e proteção à unidade de processamento. De forma geral
os módulos de entrada, são separados dos módulos de saída, mas em algumas situações
podem-se encontrar juntos em uma mesma peça.
As entradas de um CLP têm por função receber os sinais dos dispositivos de entradas,
tais como sensores, chaves, transdutores dentre outros e, os convertem em sinais para serem
processados pela CPU.
Já as saídas de um CLP têm por função enviar os sinais processados pela CPU aos
dispositivos de saída tais como motores, atuadores, sinalizadores dentre outros (GEORGINI,
2005).
Alguns de módulos de I/O possuem características diferenciadas como isolação óptica
para proteção da CPU, conectores removíveis ou fonte de alimentação, que neste caso, não há
conexão com o barramento de alimentação da CPU (GEORGINI, 2005). Em geral os módulos
I/O são classificados como Discretos (Digitais) ou Analógicos.
28
2.6.1 Entradas e Saídas Discretas
As entradas ou saídas discretas são os sinais mais comuns em CLPs, tratam sinais
digitais (liga/desliga ou 1/0) e, são utilizados em sistemas seqüenciais e na maioria das
aplicações com CLPs, mesmo como parte de sistemas de controle de processos contínuos
(GEORGINI, 2005).
Alguns dispositivos de entrada e saída com característica digital são: sensores, chaves
seletoras, chaves fim-de-curso, solenóides, válvulas, alarmes e sinalizadores.
Cada ponto, de entrada ou de saída digitais, representa um bit na memória a qual é
acessada durante a execução do programa de aplicação, como apresentado na figura 13.
Figura 13 – Relação de Entrada x Tabela de Dados.
Para os módulos de saída, quanto maior o número de pontos, menor a corrente que
cada ponto pode fornecer (GEORGINI, 2005).
De acordo com Georgini (2005), em geral as entradas digitais apresentam as seguintes
características:
•
filtros de sinal que eliminam problemas de pulsos indesejados, causados durante a
abertura ou fechamento dos contatos;
•
quantidade de pontos disponíveis de 8, 16, 32 ou 64;
•
alimentação das entradas: 110 ou 220Vac, 12, 24 ou 125Vcc e, 12, 24, 110Vac/Vcc;
•
as entradas quando de corrente contínua podem ter dois tipos de configuração comum
negativo e comum positivo. Esta é uma característica é crucial durante a configuração
de um CLP, dependendo do dispositivo de entrada, por exemplo sensores NPN ou
PNP, faz-se necessário optar por um ou outro dispositivo de entrada.
29
Por Georgini (2005), as saídas discretas normalmente apresentam as seguintes
características:
•
quantidade de pontos disponíveis de 4, 8, 12, 16, 32 ou 64;
•
tipo e Faixa de tensão das saídas: AC – triac ou scr (24, 110 ou 220V), DC – transistor
bipolar ou MOSFET (5, 12, 24 ou 125V) e por fim relé (AC e DC – contato seco).;
•
as saídas DC podem ser do tipo comum negativo ou comum positivo semelhante às
entradas;
•
as saídas à relé podem ter contatos simples (contato normalmente aberto), ou
reversíveis (um normalmente aberto e outro normalmente fechado).
Conforme Georgini (2005), não é recomendada a utilização de saídas à relé para
acionamentos cíclicos, mesmo de baixa freqüência, ou acionamentos rápidos, devido à fadiga
mecânica que eles podem causar.
2.6.2 Entradas e Saídas Analógicas
As entradas e saídas analógicas tratam sinais analógicos como por exemplo, tensão,
corrente, temperatura, entre outros. São utilizados em sistemas contínuos ou como parte de
sistemas seqüenciais.
Estes módulos convertem o sinal analógico em digital e vice-versa. A grande diferença
em relação aos sinais discretos é que mais de um bit deverá ser manipulado. Segundo Silvera
e Santos (2002) alguns dispositivos de entrada e saída de características analógicas são:
transdutores de tensão e corrente, transdutores de temperatura, transdutores de pressão,
válvulas analógicas, controladores de potência, mostradores gráficos.
Conforme Georgini (2005), cada entrada analógica é denominada de canal, o valor
convertido de cada canal analógico de entrada, ou o valor convertido a ser enviado para o
canal de saída, é armazenado em um endereço específico da memória. A quantidade de bits
relativos a cada canal depende da resolução dos conversores A/D e D/A. A figura 14 retrata
esta relação.
30
Figura 14 – Relação Canal de Entrada x Tabela de Dados.
Independente da quantidade de canais disponíveis e da resolução dos conversores,
cada canal analógico de entrada ou de saída consome determinada quantidade de pontos de
I/O.
Conforme Georgini (2005), os pontos analógicos de entrada normalmente apresentam
as seguintes características:
•
filtro ativo para eliminação de possíveis ruídos presentes nos sinais de entrada;
•
alta impedância de entrada para os canais com faixas de operação em tensão, que
viabiliza conexão com uma vasta gama de dispositivo, suprimindo problemas de
incompatibilidade de sinais;
•
processador dedicado, responsável pelo processamento e precisão do sinal digital
enviado a CPU, e também de diagnósticos referentes ao módulo;
•
quantidade de canais disponíveis de 2, 4, 8 ou 16;
•
tipo e faixa de operação dos canais: corrente (0-20mA, 4-20mA), tensão (0-5V, ±5V,
0-10V, ±10V) ou temperatura (termopares –J, E, K, R, S, T, B, ou termoresistências –
Pt100, jPt100, Pt1000, Cu10, Cu25);
•
um mesmo módulo pode operar em mais de uma faixa, a qual é selecionada por dipswitches ou jumpers internos ao módulo.
Segundo Georgini (2005), os pontos analógicos de saída normalmente apresentam as
seguintes características:
•
quantidade de canais de disponíveis de 2, 4, 8 ou 16;
•
tipo e faixa de operação dos canais: corrente (0-20mA, 4-20mA), tensão (0-5V, ±5V,
0-10V, ±10V);
31
•
e um mesmo módulo pode operar em mais de uma faixa, a qual é selecionada por dipswitches ou jumpers internos ao módulo.
2.7
INTERFACE HOMEM MÁQUINA
Interface homem máquina, ou simplesmente IHM, são equipamentos que permitem ao
usuário o acesso ao programa do equipamento. Normalmente são constituídos por teclado
(usado para alteração de dados) e visores que podem ser para mostrar apenas caracteres de
texto ou também gráficos. Trata-se de um equipamento que pode ser acoplado a CPU do CLP
(como ocorre em alguns fabricantes) ou ser conectado a CPU via rede de comunicação.
Por estes motivos, este equipamento, está cada vez mais próximo a linha de produção,
instalada na estação de trabalho, traduzindo os sinais vindos do CLP para sinais gráficos de
fácil entendimento, ou simplesmente, realizando o supervisório do processo em que a
máquina atua (MORAES, CASTRUCCI; 2007).
Visor
Figura 15 – Exemplo comercial de uma IHM gráfica.
O desenvolvimento das interfaces homem-máquina, com visores alfanuméricos,
teclados de funções e comunicação serial, segundo Moraes e Castrucci (2007), trouxe os
seguintes benefícios:
•
economia de fiação e acessórios, pois a comunicação com o CLP se baseia em uma
transmissão serial;
32
•
redução na mão-de-obra de montagem, pois a IHM substitui vários equipamentos;
•
eliminação física do painel sinótico;
•
aumento da capacidade de comando e controle, pois a IHM pode auxiliar o CLP em
algumas funções, como por exemplo, massa de memória para armazenar dados, etc.;
•
maior flexibilidade frente a alterações necessárias em campo;
•
operação amigável;
•
fácil programação e manutenção.
Ainda segundo Moraes e Castrucci (2007), há varias aplicações e utilizações para uma
IHM, como:
•
visualização de alarmes gerados por alguma condição anormal do sistema;
•
visualização de dados dos motores e/ou equipamentos de uma linha de produção;
•
visualização de dados de processo da máquina;
•
alteração de parâmetros de processo;
•
operação em modo manual de componentes da máquina;
•
alteração de configurações de equipamentos.
Quando instaladas em ambiente de rede industrial a IHM pode apresentar a vantagem
de estar localizada em um ponto distante do processo (SILVEIRA; SANTOS, 2002).
2.8
COMUNICAÇÃO DO CLP EM REDE
Segundo (PUPO, 2002 apud VITOR, 2000), a necessidade da informação do que
ocorre com o processo migrou dentro das organizações de uma forma crescente e ascendente.
Os CLPs passaram a controlar também a fazer parte de uma estrutura de controle hierárquica
controlando múltiplas estações, outros CLPs e equipamentos (robôs ou máquinas de controle
numérico) tudo isso em uma rede industrial.
Para se classificar as redes industriais devemos observar equipamentos conectados e
os dados que trafegam nelas. Os tipos dados podem ser bits, bytes ou blocos. Redes com
dados no formato de bits transmitem sinais digitais ou discretos, ou seja, ligado e desligado.
Redes com dados no formato de bytes transmitem pacotes de informações discretas e/ou
33
analógicas. E redes com dados no formato de blocos transmitem pacotes de informações de
tamanhos variados. Classificando-as então, segundo Pupo (2002):
•
Rede sensorbus: transmitem dados no formato de bits, sinais digitais ou
discretos (ligado e desligado);
•
Rede devidebus: transmitem dados no formato de byte, pacotes de informações
discretas e/ou analógicas;
•
Rede fieldbus: transmitem dados no formato de pacotes de informações de
tamanhos variados.
A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente a rede. Para
este tipo de rede os equipamentos necessitam que a comunicação seja rápida, como por
exemplo, sensores e atuadores. Com esse tipo de rede não se pode cobrir grandes distâncias.
Já a rede devicebus cobre a lacuna criada entre as redes sensorbus e a fieldbus e,
chegam a distâncias de até quinhentos metros. Os equipamentos utilizados por esta rede terão
mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mescla dos dois. Permite uma rápida
transferência de dados como na sensorbus, mas tem a capacidade de gerenciar mais
equipamentos e dados.
E por fim a rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e cobre
distâncias maiores. Os equipamentos ligados a essa rede possuem capacidade de
processamento suficiente para desempenhar funções específicas de controle, controle de fluxo
de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos, mas a rede deve
ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados, sejam eles, discretos, analógicos,
parâmetros, programas ou informações do usuário. Esta rede permite a interligação de
múltiplos instrumentos diretamente no campo realizando funções de controle e monitoração
de processos e estações de operação.
Protocolos são conjunto de informações ou dados que passam por algum tipo de
tratamento para serem repassados a outros programas. Os de maior destaque são HART ®,
PROFIBUS e Fieldbus Fundation que são baseados no modelo de referência Open Systems
Interconnection (OSI) para redes de computadores (PUPO, 2002, apud SMAR
EQUIPAMENTOS LTDA, 1996). Descritos:
•
HART ® (Highway Addressable Remote Tranducer) Field Communications Protocol
é reconhecido como o padrão para a transmissão digital sobre a sinalização de 4-20mA
existente.
34
•
PROFIBUS-DP alta velocidade, controle discreto e I/O distribuído;
•
PROFIBUS-FMS aplicado em células de manufatura e é não determinístico;
•
PROFIBUS-PA aplicado em processos contínuos e adequado a áreas classificadas;
•
Fieldbus Fundation concebido para aplicações em controle de processos contínuos.
35
3
CLPS COMERCIAIS
A escolha de um controlador lógico programável deve considerar características
importantes para a aplicação onde o CLP será utilizado. Segundo Georgini (2005), as
seguintes características apresentadas nas especificações técnicas de uma CPU que devem ser
levadas em consideração são: capacidade e tipo de memória, bateria de backup, pontos de I/O
total, tempo de processamento ou tempo de execução (tempo necessário para a CPU executar
uma instrução booleana, algumas CPUs podem apresentar tempo de execução para instruções
booleanas relativamente alto, por serem indicadas ao processamento de operações mais
complexas operações aritméticas e trigonométricas), linguagens de programação que podem
ser utilizadas, recursos de programação disponíveis na CPU (quantidade de temporizadores e
contadores, operações com números inteiros ou números reais, rotinas internas para controle
PID, existência de calendário/relógios internos, proteção por meio de senha e sistema de
diagnósticos entre outros), quantidade de portas de comunicação existentes na CPU (RS-232
e/ou RS-422, além dos protocolos suportados).
Neste capítulo serão abordados alguns exemplos de controladores lógico programáveis
comerciais e suas principais características construtivas e funcionais.
3.1
MOELLER
Aqui serão apresentados os modelos comercias de CLPs de médio porte da Moeller.
Empresa alemã, que atua mundialmente áreas de automação e distribuição de energia
(MOELLER).
3.1.1 Família PS4-100 Compact PLC
A família PS4-100 da Moeller possui 3 modelos de CPU: PS4-101-DD1, PS4-111-DR1
e PS4-111-DR5 (MOELLER).
36
Figura 16 – CLP Moeller PS4-111-DR1.
Fonte: Moeller.
A CPU PS4-101-DD1 é alimentada com tensão de 24 Vdc, as CPUs PS4-111-DR1 e
PS4-111-DR5 são alimentadas com tensão de 115 a 230 Vac. As saídas da CPU PS4-101DD1 são transistorizadas, ou seja, elevada capacidade de chaveamento, porém em baixas
potências e as saídas das CPUs PS4-111-DR1 e PS4-111-DR5, são a relé que possuem menor
capacidade de chaveamento mas suportam potências mas elevadas que nos transistores.
Nestas 3 CPUs o tempo de processamento normalmente é de 5 ms por 1 kbyte (instrução
binária) e a comunicação é Suconet K1 protocolo específico do fabricante.
Os CLPs desta família são adequados para aplicação de controle de pequenas máquinas
e podem ser utilizados como mestre ou escravos de rede. Normalmente possuem 8 entradas e
6 saídas digitais, bateria de backup de memória para o programa do usuário (de 3,6 kByte) e
memória expansível (MOLLER).
3.1.2 PS4-141/-151 Compact PLC
Os CLPs PS4-141/-151 possuem dois modelos de CPUs: PS4-141-MM1 e PS4-151MM1 (MOELLER).
37
Figura 17 – CLP Moeller PS4-141-MM1.
Fonte: Moeller.
A CPU PS4-141-MM1 é alimentada com tensão de 24 Vdc, e a CPU PS4-151-MM1 é
alimentada com tensão de 115 a 230 Vac. As saídas da CPU PS4-141-MM1 são
transistorizadas, ou seja, elevada capacidade de chaveamento, porém em baixas potências e as
saídas da CPU PS4-151-MM1, são a relé que possuem menor capacidade de chaveamento
mas suportam potências mas elevadas que nos transistores. Nestas CPUs o tempo de
processamento normalmente é de 5 ms por 1 kbyte (instrução binária) e a comunicação é
Suconet K1 protocolo específico do fabricante.
Estes CLPs são adequados para aplicação de controle de máquinas, e pequenas plantas,
com controle malha fechada adicional e monitoração de funções e também podem ser
utilizados como mestres ou escravos de redes.
A CPU PS4-141-MM1 possui 8 entradas digitais, 2 entradas analógicas e 14 saídas
digitais, 1 saída analógica, já a CPU PS4-151-MM1 possui 16 entradas digitais, 2 entradas
analógicas e 8 saídas digitais, 1 saída analógica.
Sua principais características são: bateria de backup de memória para o programa do
usuário (de 24 kByte), portas de comunicação RS 232 e RS 485, contador de alta velocidade
(acima de 3 kHz) e memória expansível (MOLLER).
3.1.3 Família PS4-200 Compact PLC
A família PS4-200 da Moeller possui 2 modelos de CPU: PS4-201-MM1 e PS4-271MM1 (MOELLER).
38
Fonte: Moeller.
A CPU PS4-201-MM1 é alimentada com tensão de 24 Vdc, e a CPU PS4-271-MM1 é
alimentada com tensão de 115 a 230 Vac. As saídas da CPU PS4-201-MM1 são
transistorizadas, ou seja, elevada capacidade de chaveamento, porém em baixas potências e as
saídas da CPU PS4-271-MM1, são a relé que possuem menor capacidade de chaveamento,
mas suportam potências mas elevadas que nos transistores. Nestas CPUs o tempo de
processamento normalmente é de 5 ms por 1 kbyte (instrução binária) e a comunicação é
Suconet K1 protocolo específico do fabricante.
Fonte: Moeller.
A CPU PS4-201-MM1 possui 8 entradas digitais, 2 entradas analógicas (admitindo
função Pt 1000) e 6 saídas digitais, 1 saída analógica, já a CPU PS4-271-MM1 possui 12
39
entradas digitais, 2 entradas analógicas (admitindo função Pt 1000) e 8 saídas digitais, 2
saídas analógicas.
Suas principais características são: bateria de backup e controle independente de
memória para o programa do usuário (de 24 kByte), portas de comunicação RS 232 e RS 485,
contador de alta velocidade (acima de 3 kHz), memória expansível e sintaxe geográfica
(MOLLER).
3.1.4 PS4-341 Compact PLC
A CPU PS4-341-MM1 é alimentada com tensão de 24 Vdc. As saídas da CPU PS4-341MM1 são transistorizadas, ou seja, elevada capacidade de chaveamento, porém em baixas
potências. Nesta CPU o tempo de processamento normalmente é de 5 ms por 1 kbyte
(instrução binária) e a comunicação é Suconet K1 protocolo específico do fabricante.
Fonte: Moeller.
A CPU PS4-341-MM1 possui 16 entradas digitais, 2 entradas analógicas e 14 saídas
digitais, 1 saída analógica.
Suas principais características são: carregamento de sistema de operações, bateria de
backup e controle independente de memória para o programa do usuário (de 512 kByte),
portas de comunicação RS 232 e RS 485, contador de alta velocidade (acima de 3 kHz),
memória expansível, sintaxe geográfica além de funcionalidade FUZZY (MOLLER).
40
3.2
ROCKWELL AUTOMATION
Rockwell Automation, empresa norte americana, sediada em Milwaukee, no estado do
Wisconsin, nos Estados Unidos. Hoje está presente em mais de 80 países, tem como meta a
ajudar a fabricantes com soluções de informação e de automação industrial. Aqui serão
apresentados os modelos comercias de CLPs de médio porte da Rockwell Automation, onde
seus equipamentos também são conhecidos pela marca Allen-Bradley (ROCKWELL
AUTOMATION).
3.2.1 Família Micrologix
Figura 21 – CLP Allen-Bradley Micrologix 1000.
Fonte: Rockwell Automation.
Os controladores Micrologix 1000 são ideais para espaços pequenos que exigem até 32
pontos de entradas e saídas, as entradas podem ser digitais ou analógicas e admitem tensões
contínuas ou alternas e saídas tem opções à relé ou a transistor além de analógica. A CPU
permite uma alimentação de 120 a 240 Vac ou 24 Vdc. É um CLP de alta velocidade com
avançados recursos de rede e um conjunto completo de soluções de controle (ROCKWELL
AUTOMATION).
Segundo a Rockwell Automation, os principais recursos deste controlador são: préconfigurados 1K de programação e memória de dados, processamento típico tempo de 1,5 ms
para o programa de instruções, possui memória EEPROM que mantém toda a lógica Ladder e
41
os dados se o controlador for desenergizado, eliminando a necessidade de bateria de back-up
ou módulo de memória separado, canal de comunicação RS-232, filtros de entrada DC
ajustáveis permitem personalizar o tempo de resposta para atender a diversas necessidades de
aplicação.
Os controladores Micrologix 1100 acrescentam maior conectividade e maior cobertura
de aplicação para a família Micrologix. Esta geração de CLP possui LCD integrada que exibe
status do controlador, status das entradas e saídas, e mensagens simples do operador. Para
pequenas aplicações, as entradas e saídas deste controlador podem representar todo o controle
necessário, possuem 10 entradas e, 6 saídas digitais além de 2 entradas analógicas, com
capacidade de expansão digital, analógica, RTD e módulos de termopar.
A CPU permite uma alimentação de 120 a 240 Vac ou 24 Vdc. É um CLP de alta
velocidade com recursos de rede (ROCKWELL AUTOMATION).
Segundo a Rockwell Automation, os principais recursos deste controlador são: préconfigurados 4K de programação e memória de dados, bateria de backup, controlador PID,
contador de alta velocidade, conectividade Ethernet, servidor WEB incorporado, porta RS232/RS-485.
42
O Micrologix 1200 possui de recursos e opções projetados para trabalhar com uma
extensa faixa de aplicações. Disponível em versões de 24 e 40 pontos de entradas e saídas,
pode ser expandida através de módulos de I/O.
A CPU permite uma alimentação de 120 a 240 Vac ou 24 Vdc. Também é um CLP de
alta velocidade com recursos de rede (ROCKWELL AUTOMATION).
Segundo a Rockwell Automation, os principais recursos deste controlador são: préconfigurados 4K de programação e memória de dados, módulo de backup, controlador PID,
função Limit Scwitch que permite configurar a velocidade do contador, conectividade
Ethernet, porta RS-232 e programa de segurança de dados, permite que dados sejam
carregados no CLP sem substituir dados protegidos.
Este CLP suporta até 6 módulos de expansão digital e analógicos, que são os mesmo
utilizados no Micrologix 1100 e 1400.
43
O Micrologix 1400 da Rockwell Automation complementa a família existente de
controladores lógico programáveis por parte do Micrologix 1100, como a Ethernet/IP, edição
online, e um display LCD incorporado, além de recursos avançados como o aumento de I/O,
contador/PTO (Saída Trem de Pulso) de alta velocidade mais rápido e capacidade de
comunicação. Pode-se utilizar o display iluminado incorporado para definir a comunicação da
rede Ethernet, exibir valores de ponto flutuante em exibição configurável pelo usuário, entre
outras funcionalidades. A CPU permite uma alimentação de 120 a 240 Vac ou 24 Vdc. Possui
32 pontos I/O incorporados (ROCKWELL AUTOMATION).
6 contadores de alta velocidade, conectividade Ethernet, porta RS-232 e RS-485, capacidade
de expansão de até 7 módulos com 144 entradas/saídas.
O Micrologix 1500 é o membro mais poderoso da Micrologix tem desempenho
incomparável, potência e flexibilidade. Com este controlador é possível manipular muitas
aplicações que normalmente utilizaria CLPs maiores, e mais caros. Com seu processador
removível, unidades base com entradas/saídas incorporadas e fonte de alimentação, além de
expansão através de 1769 Compact I/O. Contempla 3 opções de base, incluindo a escolha de
configurações elétricas como: entradas 120 Vac ou 24 Vdc, saídas relés e MOSFET de alta
velocidade, alimentação 120/240 Vac ou 24 Vdc (ROCKWELL AUTOMATION).
contadores de alta velocidade, conectividade Ethernet, porta RS-232, capacidade de expansão
44
a mais de 512 entradas/saídas e ciclo de scan time inferior a 1 milisegundo por 1 k do
programa do usuário.
3.3
SCHNEIDER ELECTRIC
A Schneider Electric foi fundada em 1836, em Creusot na França(SCHNEIDER
ELECTRIC). No texto a seguir serão apresentados os CLPs de médio porte comercial da
Schneider Electric, o Twido.
3.3.1 Twido
Segundo a Schneider Electric, o Twido foi desenvolvido para automação industrial
simples e de máquinas pequenas apresentado em duas versões o compacto e o modular que
partilham as opções comuns como os módulos de expansão de I/O e o software de
programação, proporcionando maior simplicidade e flexibilidade.
O compacto foi concebido para otimizar o tempo e custos na instalação, já o modular
para soluções sob medida, maximizando a eficiência sobre as máquinas (SCHNEIDER
ELECTRIC).
É capaz de fornecer múltiplas possibilidades de combinações para suas aplicações,
combinando seus módulos de I/O, pode fornecer de 10 a 264 pontos de entradas e saídas.
Além de oferecer um relógio calendário para aplicações que necessitem de agendamento de
data e hora (SCHNEIDER ELECTRIC).
Este controlador possui comunicação Modbus, ASCII, Remote Link, CANopen e
Ethernet o que permite ser integrado facilmente com equipamentos existentes em campo,
como por exemplo, outros CLPs, inversores de freqüência, medidores de energia, softstarters
e entradas e saídas distribuídas (SCHNEIDER ELECTRIC).
3.3.1.1 Família Twido Compacto
Esta família é composta por 4 modelos o Twido Compacto 10, o 16, o 24 e o 40. O
Twido Compacto 10 possui duas tensões de alimentação 19,2 a 30 Vdc ou 100 a 240 Vac.
Esta CPU possui um número máximo de 10 pontos de I/O, sendo 6 entradas digitais e 4 saídas
à relé o que possibilita potências mais elevadas em seu chaveamento. Dispõe de 4 contadores
de alta velocidade e capacidade de comunicação Ethernet além de uma porta serial RS-485.
45
Sua capacidade de memória se resume a 700 instruções com 128 Bits internos (SCHNEIDER
ELECTRIC).
Figura 26 – CLP Twido Compacto TDW LC⋅A 10DRF.
Fonte: Schneider Electric.
O Twido Compacto 16 possui duas tensões de alimentação 19,2 a 30 Vdc ou 100 a 240
Vac. Esta CPU possui um número máximo de 16 pontos de I/O, sendo 9 entradas digitais e 7
saídas à relé o que possibilita potências mais elevadas em seu chaveamento. Dispõe de 4
contadores de alta velocidade e capacidade de comunicação Ethernet além de porta serial RS485 e RS-232. Sua capacidade de memória se resume a 2000 instruções com 128 Bits internos
(SCHNEIDER ELECTRIC).
O Twido Compacto 24 possui duas tensões de alimentação 19,2 a 30 Vdc ou 100 a 240
Vac. Esta CPU possui 24 pontos de I/O, sendo 14 entradas digitais e 10 saídas à relé o que
possibilita potências, mais elevadas em seu chaveamento, contudo pode ser expandido a
88/120/152 módulos de I/O dependendo da expansão. Dispõe de 4 contadores de alta
velocidade, função PID e capacidade de comunicação Ethernet, CANopen bus ou ASinterface além de porta serial RS-485 e RS-232. Sua capacidade de memória se resume a
3000 instruções com 256 Bits internos (SCHNEIDER ELECTRIC).
46
Por fim o Twido Compacto 40 possui duas tensões de alimentação 19,2 a 30 Vdc ou
100 a 240 Vac. Esta CPU possui 40 pontos de I/O, sendo 24 entradas digitais e 10 saídas à
relé o que possibilita potências mais elevadas em seu chaveamento, e 2 a transistor, ou seja,
elevada capacidade de chaveamento, porém em baixas potências, pode ser expandido a
152/184/248 módulos de I/O dependendo da expansão. Dispõe de 2 contadores de alta
velocidade, função PID e capacidade de comunicação Ethernet, CANopen bus ou ASinterface além de porta serial RS-485 e RS-232. Sua capacidade de memória se resume a
3000 instruções, expansível até 6000, com 256 Bits internos (SCHNEIDER ELECTRIC).
Figura 29 – CLP Twido Compacto TDW LC⋅E 40DRF.
3.3.1.2 Família Twido Modular
Esta família é composta por 2 modelos o Twido Modular 20 e o 40. O Twido Modular
20 possui a tensão de alimentação 19,2 a 30 Vdc. Esta CPU possui duas versões TDW LMDA
20D⋅K e o TDW LMDA 20DRT, ambas com 20 módulos de I/O, na primeira versão TDW
LMDA 20D⋅K possui 12 entradas digitais e 8 a transistor, ou seja, elevada capacidade de
chaveamento, porém em baixas potências saídas, já na segunda versão TDW LMDA 20DRT
47
possui 12 entradas digitais e 6 a relé o que possibilita potências mais elevadas em seu
chaveamento, e 2 a transistor. O TDW LMDA 20D⋅K, pode ser expandido em no máximo 4
módulos chegando a 88/116/148 módulos de I/O dependendo da expansão. O TDW LMDA
20DRT, pode ser expandido em no máximo 7 módulos chegando a 132/164/228 módulos de
I/O dependendo da expansão. Ambos dispõem de 4 contadores de alta velocidade e
capacidade de comunicação Ethernet, CANopen bus ou AS-interface , porta serial RS-485 e
RS-232 e função PID. Sua capacidade de memória se resume a 3000 instruções, expansível
até 6000, com 256 Bits internos (SCHNEIDER ELECTRIC).
Figura 30 – CLP Twido Modular TDW LMDA 20D⋅K e 20DRT.
O Twido Modular 40 possui a tensão de alimentação 19,2 a 30 Vdc. Esta CPU possui
40 módulos de I/O, sendo 12 entradas digitais e 16 a transistor, ou seja, elevada capacidade de
chaveamento, porém em baixas potências saídas, pode ser expandido em no máximo 7
módulos chegando a 152/184/248 módulos de I/O dependendo da expansão. Ambos dispõem
de 4 contadores de alta velocidade e capacidade de comunicação Ethernet, CANopen bus ou
AS-interface , porta serial RS-485 e RS-232 e função PID. Sua capacidade de memória se
resume a 3000 instruções, expansível até 6000, com 256 Bits internos (SCHNEIDER
ELECTRIC).
Figura 31 – CLP Twido Modular TDW LMDA 40⋅K.
48
3.4
SIEMENS
Empresa alemã, fundada em 1847, por Werner Von Siemens. Existem relatos da
primeira participação da Siemens no Brasil em 1867 (SIEMENS).
3.4.1 S7-200
O CLP da Siemens SIMATIC S7-200, é compacto e altamente eficiente principalmente
no que se refere em controle em tempo real, com alta capacidade de comunicação e prático na
utilização de hardware e software, possui concepção modular que se adapta a cada
necessidade (SIEMENS).
As principais características deste CLP são elevada performance, excelente
modularidade e elevada conectividade. Além disse permite comando e monitoração através de
um PC.
Segundo o Catálogo do fabricante o S7-200 possui as seguintes características de
comunicação aberta: interface RS-485, interligação com rede PROFIBUS, elevada
performance em rede AS-Interface.
Além disso, conforme o Catálogo do fabricante, o SIMATIC possui elevada
performance pois é pequeno e compacto, ideal para todos os tipos de utilização onde o espaço
disponível é importante, possui funcionalidade ampliada para todos os tipos de CPU,
excelente comportamento em tempo real, um comando total do processo a cada momento
significa um aumento da qualidade, da eficiência e da confiabilidade. Capacidade de
comunicação em modo Freeport, em PROFIBUS-DP como escravo e/ou em AS-Interface
como mestre e programação fácil e rápida através do software STEP 7 MicroWin.
Por fim o Catálogo do fabricante o SIMATIC mostra ainda que possui modularidade
ideal pois possui 4 diferentes níveis de memória e diferentes números de I/O digitais
integradas, módulos de expansão digitais/analógicos, ampliável conforme a necessidade de
cada aplicação, módulo de comunicação por PROFIBUS, funcionando como escravo, módulo
de comunicação por AS-Interface, funcionando como mestre, módulos analógicos para
medição de temperatura por RTD ou Termopar, saídas por impulso integradas, para
posicionamento de motores, diagnóstico remoto e comando e visualização.
49
3.4.1.1 CPU 221
A CPU 221 do CLP S7-200 possui duas tensões de alimentação 24 Vdc ou 100 a 220
Vac. Esta CPU possui 6 entradas digitais e 4 saídas a transistor quando alimentado em
corrente contínua ou 4 saídas à relé quando alimentadas em corrente alternada e, não é
expansível. Dispõe de 4 contadores de alta velocidade e porta serial RS-485. Sua capacidade
de memória se resume a 4 kBytes para o programa e 2 kBytes para os dados (SIEMENS).
Figura 32 – CLP Siemens S7-200 CPU 221.
Fonte: Siemens.
3.4.1.2 CPU 222
corrente contínua ou 6 saídas à relé quando alimentadas em corrente alternada, é expansível
por módulos digitas pode chegar a 40/38/78 pontos de I/O e por módulos analógicos pode
chegar a 8/4/10 pontos de I/O. Dispõe de 4 contadores de alta velocidade, porta serial RS-485,
comunicação PROFIBUS-DP e AS-Interface. Sua capacidade de memória se resume a 4
kBytes para o programa e 2 kBytes para os dados (SIEMENS).
50
Fonte: Siemens.
3.4.1.3 CPU 224
corrente contínua ou 10 saídas à relé quando alimentadas em corrente alternada é expansível
chegar a 24/14/35 pontos de I/O. Dispõe de 6 contadores de alta velocidade, porta serial RS485, comunicação PROFIBUS-DP e AS-Interface. Sua capacidade de memória se resume a 8
kBytes para o programa e 5 kBytes para os dados (SIEMENS).
Fonte: Siemens.
51
3.4.1.4 CPU 226
corrente contínua ou 16 saídas à relé quando alimentadas em corrente alternada é expansível
chegar a 28/14/35 pontos de I/O. Dispõem de 6 contadores de alta velocidade, 2 portas serial
RS-485, comunicação PROFIBUS-DP e AS-Interface. Sua capacidade de memória se resume
a 8 kBytes para o programa e 5 kBytes para os dados (SIEMENS).
Fonte: Siemens.
3.5
WEG
Empresa brasileira, fundada em 1961. A WEG atua nas áreas de comando e proteção,
variação de velocidade, automação de processos industriais, geração e distribuição de energia
e tintas e vernizes industriais (WEG).
3.5.1 TPW-03
O CLP da WEG, TPW03 possui as seguintes características: unidades básicas com 12,
20, 30, 40 e 60 pontos de I/O, unidade de expansão com 16 pontos de I/O, configurável até
256 pontos de I/O digitais e 64 pontos de I/O analógicos, saídas digitais a relé (2A) e
transistor (0,3A), relógio de tempo real incorporado no modelo H, MODBUS (mestre e
escravo) incorporado, entradas rápidas até 100 kHz, saída trem de pulso e PWM, função PID,
52
comunicação com PC através de porta RS-232, memória de programa de 8 k e 16 k(passos) e
comunicação com IHMs inteligentes.
Figura 36 – CLP WEG TPW03.
Fonte: WEG.
O modelo 14 SR-A possui tensão de alimentação de 85 a 264 Vac. Esta CPU possui 8
entradas digitais e 4 saídas à relé, expansível a 40 entradas digitais, 38 saídas digitais, 8
entradas analógicas e 2 I/O analógicas (WEG).
O modelo 20 SR-A possui tensão de alimentação de 85 a 264 Vac. Esta CPU possui 12
O modelo 20 HR-A possui tensão de alimentação de 85 a 264 Vac. Esta CPU possui 12
O modelo 20 HT-A possui tensão de alimentação de 85 a 264 Vac. Esta CPU possui 12
entradas digitais e 8 saídas a transistor, expansível a 140 entradas digitais, 48 saídas digitais, 8
entradas digitais e 14 saídas à relé, expansível a 144 entradas digitais, 44 saídas digitais, oito
entradas digitais e 14 saídas a transistor, expansível a 144 entradas digitais, 44 saídas digitais,
8 entradas analógicas e 2 I/O analógicas (WEG).
53
O modelo 40 HR-A possui tensão de alimentação de 19,2 a 28,8 Vdc. Esta CPU possui
24 entradas digitais e 16 saídas à relé, expansível a 152 entradas digitais, 56 saídas digitais, 16
O modelo 60 HR-D possui tensão de alimentação de 19,2 a 28,8 Vdc. Esta CPU possui
36 entradas digitais e 24 saídas à relé, expansível a 164 entradas digitais, 56 saídas digitais, 16
3.6
CONTROLADOR PROGRAMÁVEL PARA AUTOMAÇÃO
PAC é uma abreviação de Controladores Programáveis para Automação (do inglês
Programmable Automation Controller), uma sigla que descreve uma nova geração de
controladores industriais unindo duas outras tecnologias a funcionalidade de um CLP com a
de um PC. A necessidade destes usuários guiou o desenvolvimento de um produto de controle
baseado em CLP e PC (NATIONAL INSTRUMENTS).
Segundo a National Instruments, contudo 80% das aplicações industriais se resumem as
entradas e saídas digitais, pouquíssimos pontos analógicos e programas de um nível técnico
simples. Especialistas da Automation Reserch Corporation (ARC), Ventura Development
Corporation (VDC) e a fonte online de treinamento em CLPs a PLC.net avaliam que:
•
77% dos CLPs são utilizados em pequenas aplicações, ou seja, utilizam menos que
128 entradas/saídas;
•
72% das entradas/saídas utilizados nas aplicações são digitais;
•
80% das aplicações com CLPs são resolvidos com programas com um conjunto de 20
instruções Ladder.
54
Então se 80% das aplicações industriais são solucionadas com ferramentas tradicionais,
existe uma grande procura por CLPs simples e de baixo custo. Por esta razão os fabricantes
têm acelerado pesquisas e desenvolvimento para colocar no mercado CLPs de menor porte,
com número reduzido de entradas/saídas que utilizam programação em Ladder. Em vista
disso foi criada uma descontinuidade na tecnologia de controladores (NATIONAL
INSTRUMENTS).
Para os 20% restantes foram avaliados PCs, pois disponibilizavam características de
software que eram capazes de desempenhar tarefas avançadas. Tecnologias que comportam
processadores de ponto flutuante, barramentos de entrada/saída de alta velocidade, PCI e
Ethernet, por exemplo, armazenamento de dados não volátil, além de ferramentas gráficas
para o desenvolvimento de software (NATIONAL INSTRUMENTS).
Entretanto, para aplicações industriais os PCs não eram ideais, o CLP era ainda
responsável pela área de controle, pois os PCs não foram projetados para ambientes robustos
(NATIONAL INSTRUMENTS).
Conforme a National Instruments, a utilização do PC fez com que 3 pontos principais
fossem analisados mais criteriosamente:
1. estabilidade: os sistemas operacionais não eram estáveis para o controle;
2. confiabilidade: possuíam discos magnéticos rotativos e componentes não projetados
para ambiente industrial;
3. ambiente de programação não familiar: os operadores de planta precisam ter a
habilidade de modificar um sistema para manutenção ou correção de problemas.
Os sistemas baseados em PC requerem que os operadores aprendam novas e mais
avançadas técnicas de programação.
Uma empresa norte americana, fabricante de dos mais modernos laminadores e sistemas
de controle, mostra um exemplo claro de como melhorar um sistema baseado em CLPs. Seu
processo produtivo consiste na leitura da espessura das chapas, utilizando um sensor, que faz
medições analógicas. Contudo o CLP não fornecia o processamento necessário para converter
o sinal analógico do sensor em uma espessura altamente precisa. Então esta empresa aliou ao
seu sistema de CLPs um sistema PAC, reconfigurável e embarcado sistema (NATIONAL
INSTRUMENTS).
Para isto a empresa conectou os sensores de espessura nas entradas analógicas do PAC,
assim foi possível obter as medidas com exatidão, pois neste controlador é possível
customizar as taxas de amostragem das I/Os do módulo analógico. Além disso possui um
55
processador de tempo real que transmite essas medições de alta exatidão ao CLP que efetua o
controle necessário (NATIONAL INSTRUMENTS).
Segundo a National Instruments existem 3 métodos fundamentais se integrar os PACs a
estruturas CLPs: através dos I/Os analógicos e digitais (os dados analógicos e digitais podem
ser enviados do PAC para o CLP), redes industriais (a maioria dos PACs suportam os mesmos
protocolos utilizados em CLPs) e conectividade OPC (este padrão oferece um conjunto de
rotinas que faz o interfaceamento de diferente fabricantes e componentes em sistemas de
automação).
Figura 37 – Diagrama esquemático de integração entre PACs e CLPs.
Fonte: National Instruments.
O fabricante norte americano utilizou uma rede Ethernet para conectar o PAC ao CLP, a
aquisição, processamento e transmissão das medições realizadas pelo PAC, ocorrem com
velocidade necessário para inserir as medições nos CLPs sem interferir na lógica do controle
Os PACs possuem funcionalidades que vão além de simples entradas/saídas,
incorporam medições a taxas mais elevadas, funcionalidades de visão de computacional que
exigem capacidade de processamento (NATIONAL INSTRUMENTS).
Visão computacional é uma área da automação onde existem muitos gargalos ou erros
que podem ser identificados através da inspeção visual e que são difíceis de detectar usando
56
técnicas tradicionais de medição. Aplicações comuns incluem inspeção de partes para
verificação na fabricação, montagens ou reconhecimento de caracteres para exame de códigos
ou seleção de produtos, ou até mesmo medições ópticas para encontrar falhas em produtos
57
4
APLICAÇÃO INDUSTRIAL
Neste capítulo serão abordados duas aplicações que utilizam em sua aplicação CLPs. O
retrofiting de sistema de abastecimento de máquinas injetoras e automatização de uma estação
de tratamento de efluentes. Com estas aplicações será possível exemplificar os conceitos e
comparativos abordados no capítulo 3 de maneira a deixar claro a proposta desta monografia.
4.1
RETROFITING DE SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE MÁQUINAS
INJETORAS
A aplicação em questão trata de um sistema de injeção de PVC, onde um cilindro injeta
matéria prima aquecida em moldes para formar a peça. O sistema trabalha com 32 máquinas
injetoras, que trabalha uma de cada vez, para isto utiliza uma bomba a vácuo que puxa a
matéria prima para injeção no respectivo molde, caso haja uma queda do fluxo de vácuo, o
material pode chegar a um nível insuficiente para injetar a peça, após a injeção uma válvula
para alívio de pressão do molde e aciona e por fim o acionamento de uma válvula para
limpeza do bico injetor. Por conseqüência disto pode ocorrer aquecimento do cilindro de
maneira que ocasione na queima da matéria prima, gerando uma camada de carvão, que
mesmo que o problema seja soluciona, as peças poderão ficar manchadas ou com cor amarela,
acarretando em perda de qualidade na peça injetada (PEREIRA, MELO, WANDREY; 2008).
A principal ocorrência desta falha no sistema de injeção é um mau contato no módulo
de expansão de I/O do CLP S7-200 CPU 224 (item 3.4.1.3), utilizado, devido a problemas no
encaixe lateral, pois o mesmo é rígido como pode ser observado na figura 38 e 39. A vibração
causa um mau contato entre o módulo de expansão e a CPU, o que gera o abastecimento
simultâneo de várias máquinas ocasionando a queda do fluxo de vácuo. Esta é principal razão
que foi proposto o retrofiting das máquinas injetoras (PEREIRA, MELO, WANDREY;
2008).
58
Figura 38 – CLP S7-200 CPU 224 utilizado no sistema de injeção.
Fonte: Pereira; Melo; Wandrey, 2008.
Figura 39 – Detalhe do encaixe lateral CLP S7-200 CPU.
Uma das soluções propostas abortadas nesta aplicação foi à troca do CLP. Como
solução ao mau contato entre o módulo de I/O e CPU foi adota a substituição da CPU 224
pela CPU 226, pois a nova CPU faz o acoplamento do módulo de I/O com a CPU através de
um Flat Cable, um cabo flexível, e não uma conexão rígida como na CPU 224 (PEREIRA,
MELO, WANDREY; 2008).
59
Figura 40 – CLP S7-200 CPU 224 utilizado no retrofiting.
Conforme Pereira, Melo e Wandrey (2008), o fato de a CPU 226 ter duas portas de
comunicação foi um fator importante na escolha da CPU para a aplicação, pois desta forma
quando houver a necessidade de uma manutenção, é possível alterar parâmetros através de
uma IHM ligada a uma porta e fazer monitoração online em um PC através da outra porta de
comunicação. Outra razão se deve ao fato da CPU 226 possuir 40 pontos digitais de I/O
enquanto a CPU 224 possui apenas 24 pontos digitais de I/O, o que acarretaria na compra de
módulos de expansão de I/O para a proposta de retrofiting.
Para o retrofiting ainda foi proposto o uso de uma IHM OP3 da Siemens. A utilização
deste equipamento tem o intuito de habilitar ou desabilitar uma máquina, alterar e controlar o
tempo de abastecimento da matéria prima (PEREIRA, MELO, WANDREY; 2008). Pois
como já foi dito no item 2.7 do capítulo 2 a IHM, é um equipamento que permitem ao usuário
o acesso ao programa do equipamento alterando de forma rápida os parâmetros de entrada e
realizando o supervisório do processo em que a máquina atua.
60
Figura 41 – IHM OP3 da Siemens utilizado no painel.
Após o retrofiting o CLP foi capaz de monitor o abastecimento das máquinas injetoras
sem que houvesse queda no fluxo do vácuo, problema decorrente da conexão entre a CPU e o
módulo de I/O. Assim o sistema atua da seguinte forma, quando acionada qualquer máquina
injetora, um sensor instalado nesta máquina envia um sinal a CPU que processa essa
informação e verifica se há abastecimento em qualquer outra máquina, caso não haja, a CPU
libera um sinal para iniciar a operação, caso contrário ela irá aguardar o termino da injeção
para prosseguir (PEREIRA, MELO, WANDREY; 2008).
A programação para este sistema além do aumento da produtividade visa também à
segurança dos operadores e um menor desperdício de matéria prima decorrente das falhas.
Para isto a lógica de programação foi divida em: programa das chamadas (contém toda lógica
de liberação de abastecimento das máquinas), programa de bombas (contém a lógica de
seleção das bombas a vácuo – principal e reserva), programa de válvulas (contém a lógica de
válvula de alívio e válvula de limpeza), programa de alarmes (contém a lógica de alarmes
para falhas) e programa de cálculo de tempo (contém uma lógica para que os valores inseridos
na IHM fiquem em segundos) (PEREIRA, MELO, WANDREY; 2008).
4.2
AUTOMATIZAÇÃO DE UMA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES
A água é primordial ao processo produtivo, por esta razão há a necessidade do
tratamento dos efluentes, favorecendo a preservação do meio ambiente. Esta aplicação sugere
que todo comando da estação de tratamento de efluentes seja feita por um CLP e um sistema
61
de supervisão que apresenta valores do PH e vazão do processo e o status da bombas como
pode ser observado na figura 43 (SILVA; BATISTA; FONTANA, 2008).
Figura 42 – Tela principal do sistema de supervisão.
Fonte: Silva; Batista; Fontana, 2008.
Para esta aplicação foi utilizado um CLP da marca Moeller, PS4-201-MM1,
apresentado no item 3.1.3 do capítulo 3 e o sistema supervisório foi confeccionado no
software Elipse SCADA.
Para que o entendimento da aplicação é necessário saber que esta estação de efluente
trata água não oleosa (composta por 15% água da chuva e 85% esgoto) e água oleosa
(composta por graxas, solventes e produtos químicos) proveniente do processo produtivo
(SILVA; BATISTA; FONTANA, 2008). A figura 43 mostra um diagrama esquemático que
facilita o entendimento de como o CLP controla o processo de tratamento de efluentes de uma
planta industrial.
62
Figura 43 – Diagrama esquemático da estação de tratamento de efluentes.
Fonte: Silva; Batista; Fontana, 2008.
O processo ocorre da seguinte forma a água não oleosa chega ao tanque 1 e pela força
da gravidade segue através de tubulações para as Lagos 1, 2 e 3 respectivamente. A principal
automação do processo se dá para a água oleosa que da mesma forma que na água oleosa
segue por toda tubulação pela força da gravidade exceto do tanque 1 para o 2. Esta água após
ter passado pelas placas separadoras de óleo, que retiraram partículas sólidas, seguem para o
tanque 1. Este tanque possui dois sensores que enviam sinais ao CLP, um sensor de nível alto
que quando atuado, o CLP acionará um alarme de transbordo e, um sensor de nível baixo que
quando atua enviará informações ao CLP para que desligue a bomba 1, que bombeia a água a
ser tratada para o tanque 2, caso nenhum sensor esteja aciona o CLP envia um sinal para que a
bomba 1 seja acionada (SILVA; BATISTA; FONTANA, 2008).
63
Segundo Silva, Batista e Fontana (2008), no tanque 2 é feito a correção de pH da água.
Neste tanque está instalado um sensor de pH que, envia sinais analógicos ao CLP. Estes sinais
precisam ser tratados através de bloco de função, que compara valores da memória de entrada,
caso o pH esteja muito alto, o CLP manda um sinal de abertura para a válvula 1 para que
adicione ácido sulfúrico até que se obtenha um pH mais baixo. Na seqüência a água passa
para um tanque separador de óleo, onde o mesmo em suspensão é separado da água.
Conforme Silva, Batista e Fontana (2008), a água após ter passado pelo separador de
óleo segue para o tanque 3, onde sofre agitação, e na seqüência para o tanque 4. Este tanque
possui outro sensor de pH que da mesma forma envia sinais analógicos ao CLP, porém neste
caso se o pH estiver muito baixo, o CLP vai enviar um sinal de abertura para a válvula 2 para
se seja feita a uma dosagem de cal para a correção do pH e também uma dosagem de cloreto
de ferro através da bomba 2 a fim de propiciar a coagulação das partículas de sujeira.
Após esta etapa concluída a mistura é enviada ao tanque 5, onde um sinal proveniente
do CLP aciona a bomba 3, liberando o polímero aniônico que, propicia o processo de
floculação. Em seguida a água segue para o tanque 6 onde ocorre o processo de decantação
onde os flocos se depositam no fundo do tanque, então a água segue para as lagoas 1, 2 e 3
respectivamente e as partículas sólidas do tanque 6 são transferidas para um tanque de lodo
através da bomba 4, que é acionada a cada 30 minutos através de um sinal enviado pelo CLP,
que utiliza um temporizador que aciona uma bobina no programa. Quando o tanque de lodo
estiver cheio um sensor enviará um sinal ao CLP, que acionará bomba 5 e irá transferir o
líquido para o filtro prensa e o lodo é prensando separando as impurezas, a água resultante
volta para o tanque 2 e esta volta ao início. A água que sai do tanque 6 segue para as lagoas 1,
2 e 3 (SILVA; BATISTA; FONTANA, 2008).
O CLP interpreta todo esse processo de forma contínua uma vez que o programa roda
em modo automático, já que os sensores de nível alto e baixo do tanque 1 não estão acionados
e há água presente em todo o processo.
64
5
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Quando se iniciou este estudo, o principal objetivo era elaborar um comparativo
mostrando as características de alguns CLPs comerciais, esta situação foi implementada e este
material pode servir como apoio a projetistas que precisem de um CLP em sua aplicação. Fica
claro no estudo elaborado que os diferentes equipamentos possuem características similares e
também possui algumas características distintas que podem estar atendendo aplicações
específicas de cada usuário.
O mercado de CLPs é muito amplo e para uma pesquisa mais detalhada foram
selecionados fabricantes das marcas mais conhecidas e aplicadas. Contudo ainda assim se
fosse descrito todos os CLPs dos fabricantes escolhidos este material ficaria muito extenso e
de difícil interpretação. Por esta razão foi dado mais ênfase as CLPs de pequeno e médio
porte, pois após um estudo observou-se que a maioria das aplicações eram atendidas por estes
modelos de CLPs (80% das aplicações utiliza controladores de pequeno porte com 128
entradas/saídas).
Extra os comparativos demonstrando as características dos CLPs comercias havia uma
proposta de estudo de aplicações para os controladores apresentados. Foram descritas duas
aplicações que, logicamente não descrevem todo o universo de utilização, mas que justifica
salientar como o CLP pode ser aplicado de diferentes formas na automação industrial. Mesmo
tendo uma abertura comercial para contatar aplicadores e apresentar outras aplicações, sua
publicação foi vetada, algumas indústrias alegam ser um sigilo e, estar divulgando este tipo de
aplicação faria com que seu processo produtivo ficasse a mercê da concorrência comercial.
Outra proposta era pesquisar novas tendências para o mercado de CLPs, aqui foi estudado o
PAC, controlador programável para automação. Após a pesquisa foi descrita a concepção, os
princípios de funcionamento deste controlador, que hoje não é tão divulgado, mas agrega
características específicas que futuramente estarão mais presentes nas aplicações industriais.
Após finalizar este estudo, fica claro que existem inúmeras aplicações comerciais,
inúmeros CLPs e, por este motivo fica difícil dizer use este ou aquele controlador. Mas é fácil
perceber as características relevantes para que um aplicador possa entender qual é o CLP
correto para sua aplicação.
É possível salientar também que as empresas tentam manter um sigilo no seu processo
produtivo, pois é uma forma de se resguardar da qualidade e eficiência dos produtos
fornecidos e que isto gera certa dificuldade em se obter informações documentadas para este
tipo de trabalho.
65
Além disso, foi possível mostrar que os CLPs têm seu lugar garantido no mercado
para pequenas aplicações onde seu custo ainda fala mais alto e os PACs nas aplicações mais
complexas aos poucos vai conquistar o seu espaço no mercado.
Para finalizar deixar claro que este estudo foi de grande valia, pois agregou
conhecimentos comerciais, além deixar uma contribuição a todos que tenham dúvidas sobre
as características dos CLPs disponíveis comercialmente.
5.1
SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS
O estudo comparativo se restringiu a CLPs de pequeno porte, pois se fossem abortados
todos os modelos o mesmo ficaria muito extenso, como sugestão, dar continuidade a este
estudo focando agora os CLPs de Grande porte.
Além dos CLPs dar início a um estudo mais aprofundado em controladores
programáveis para automação, mostrar com mais detalhes um produto que é o futuro da
automação industrial.
66
REFERÊNCIAS
ALVES, José Luiz Loureiro. Instrumentação, Controle e Automação de Processos. 4 ed.
Rio de Janeira: LTC, 2005.
CAPELLI, Alexandre. Automação Industrial: controle do movimento e processos
contínuos. 5 ed. São Paulo: Editora Érica, 2007.
ENCONTRO TÉCNICO PACs SISTEMAS INTELIGENTES PARA AUTOMAÇÃO E
SURPERVISÃO, 2009. Curitiba: Anfiteatro do Simepar.
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Estudo entre Fabricantes de Controladores Lógico

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